Underwater gliders have been widely used in oceanography for a range of applications. However, unpredictable events like shark strikes or remora attachments can lead to abnormal glider behavior or even loss of the instrument. This paper employs an anomaly detection algorithm to assess operational conditions of underwater gliders in the real-world ocean environment. Prompt alerts are provided to glider pilots upon detecting any anomaly, so that they can take control of the glider to prevent further harm. The detection algorithm is applied to multiple datasets collected in real glider deployments led by the University of Georgia's Skidaway Institute of Oceanography (SkIO) and the University of South Florida (USF). In order to demonstrate the algorithm generality, the experimental evaluation is applied to four glider deployment datasets, each highlighting various anomalies happening in different scenes. Specifically, we utilize high resolution datasets only available post-recovery to perform detailed analysis of the anomaly and compare it with pilot logs. Additionally, we simulate the online detection based on the real-time subsets of data transmitted from the glider at the surfacing events. While the real-time data may not contain as much rich information as the post-recovery one, the online detection is of great importance as it allows glider pilots to monitor potential abnormal conditions in real time.


翻译:水下滑翔机已被广泛应用于海洋学的多种场景。然而,鲨鱼撞击或䲟鱼附着等不可预测事件可能导致滑翔机行为异常甚至设备丢失。本文采用异常检测算法评估真实海洋环境中水下滑翔机的运行状态。一旦检测到任何异常,系统会向滑翔机操控员发出即时警报,以便其及时介入控制滑翔机,避免进一步损害。该检测算法已应用于佐治亚大学Skidaway海洋研究所(SkIO)和南佛罗里达大学(USF)主导的实际滑翔机部署中采集的多个数据集。为验证算法通用性,实验评估针对四个滑翔机部署数据集展开,每个数据集均突出展示了不同场景下的各类异常。具体而言,我们利用回收后获取的高分辨率数据集对异常进行详细分析,并与操控员日志进行对比。此外,我们还基于滑翔机浮出水面时实时传输的数据子集模拟在线检测。尽管实时数据包含的信息丰富度不及回收后数据,但在线检测具有重大意义——它使滑翔机操控员能够实时监控潜在异常状况。

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在数据挖掘中,异常检测(英语:anomaly detection)对不符合预期模式或数据集中其他项目的项目、事件或观测值的识别。通常异常项目会转变成银行欺诈、结构缺陷、医疗问题、文本错误等类型的问题。异常也被称为离群值、新奇、噪声、偏差和例外。 特别是在检测滥用与网络入侵时,有趣性对象往往不是罕见对象,但却是超出预料的突发活动。这种模式不遵循通常统计定义中把异常点看作是罕见对象,于是许多异常检测方法(特别是无监督的方法)将对此类数据失效,除非进行了合适的聚集。相反,聚类分析算法可能可以检测出这些模式形成的微聚类。 有三大类异常检测方法。[1] 在假设数据集中大多数实例都是正常的前提下,无监督异常检测方法能通过寻找与其他数据最不匹配的实例来检测出未标记测试数据的异常。监督式异常检测方法需要一个已经被标记“正常”与“异常”的数据集,并涉及到训练分类器(与许多其他的统计分类问题的关键区别是异常检测的内在不均衡性)。半监督式异常检测方法根据一个给定的正常训练数据集创建一个表示正常行为的模型,然后检测由学习模型生成的测试实例的可能性。
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